과학기술정보통신부는 동국대학교 임현식 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 ‘스핀구름’들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다고 7일 밝혔다.

스핀구름은 일명 ‘콘도구름’이라 불리는데 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들이다.

이번 연구 성과는 과기정통부 기초연구사업 등의 지원으로 수행한 결과로, 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 지난 7일(현지시간 6일 오후 4시) 게재됐다.

전기 저항이 없어 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서 스핀구름의 역할이 매우 중요하다고 알려져 있다.

이처럼 높은 이론적·실험적 관심에도 응집물질물리학 분야에서 스핀구름 형성과 더 나아가 이들끼리의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구는 아직 풀리지 않은 난제가 많다.

이에 국내 연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견했다.

이어 이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질일 것이라고 생각하고 연구를 시작했다.

▲ 금속에 형성된 독립된 스핀 구름(콘도 구름) 및 스핀 구름들의 응축을 설명하는 이미지. (사진=과학기술정보통신부)  ©

스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야 하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 인해 선행 연구가 극히 적었지만, 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 연구를 이어왔다.

이 결과, 실리콘 금속에서 관측된 것은 물질의 상 중 고체, 액체, 기체, 플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 ‘보스·아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 분광학 및 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다.

실리콘 금속을 이용해 극저온(1K, -272.15℃)에서 스핀 구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 세계 최초로 발견하고 규명하는 데 성공한 것이다.

임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다”며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 금속 및 반도체에서 스핀-스핀 상호 작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는 데 기여할 것으로 기대된다.